王廣智

（撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司望花琥珀工貿(mào)分公司，遼寧 撫順 113000）

引言

目前造紙機(jī)正朝著智能化、信息化的方向發(fā)展，通過對(duì)造紙機(jī)的自動(dòng)化控制，能夠顯著提升其生產(chǎn)質(zhì)量和效率[1-2]。在造紙機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，需要使用各類控制器和變頻器，這些關(guān)鍵和核心的元件對(duì)于整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能有著決定性的影響[3-4]。由西門子公司研制的PLC控制器和ABB公司生產(chǎn)的變頻器，以其顯著地優(yōu)勢(shì)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，其中包括造紙行業(yè)[5-6]。以下主要對(duì)西門子PLC和ABB變頻器在造紙機(jī)中的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

造紙工藝屬于非常復(fù)雜的工程，中間涉及到很多工藝過程，且考慮到不同工藝過程之間的連續(xù)性，要求不同工藝速度之間必須要保持匹配。生產(chǎn)過程中如果不同工藝步驟之間的運(yùn)行速度不匹配必然會(huì)影響最終的生產(chǎn)質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)過程無法繼續(xù)。對(duì)于某造紙車間而言，要求傳動(dòng)速度保持匹配的部分主要有網(wǎng)部、壓榨部、烘缸、施膠、壓光、卷取等分部。為了實(shí)現(xiàn)不同分部的速度鏈控制，必須建立對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2 造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及工作原理

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但功能明了、層次明晰，見圖1。圖中PG表示編碼器，作用是對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的電流值和輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂破髦小？刂破鲗?duì)不同分部中電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行分析處理，基于分析結(jié)果下達(dá)控制指令，將指令傳輸?shù)阶冾l器中，再由變頻器傳輸?shù)娇刂破髦?。變頻器根據(jù)控制指令調(diào)整輸出電源的頻率大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)整與控制。另外，各類傳感器檢測(cè)獲得的信號(hào)，可以通過上位機(jī)PC顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便工作人員能夠?qū)崟r(shí)觀察整個(gè)造紙機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中使用的是西門子公司研制生產(chǎn)的OP277操作屏。該屏幕不僅可以顯示造紙機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以直接在該屏幕上人為輸入各種控制指令，實(shí)現(xiàn)人工控制的效果。

圖1 造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)方案示意圖

2.2 各分部電機(jī)速度控制原理

系統(tǒng)中采用的是“速度鏈”的控制思想，其基本工作思路如下：按照整個(gè)造紙工藝流程，控制器根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，首先利用變頻器對(duì)第1臺(tái)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，且第1臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速及其運(yùn)行電流值會(huì)返回到控制器中；控制器基于第1臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流值，利用變頻器對(duì)第2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制，其將第2臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速及其運(yùn)行電流返回到控制器中；依次類推，直到完成整個(gè)造紙機(jī)各分部電機(jī)速度的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度之間的相互匹配，見下頁圖2。

圖2 造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本原理圖

3 西門子PLC與ABB變頻器的結(jié)構(gòu)與工作原理

3.1 西門子PLC控制器

對(duì)于整個(gè)造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，控制器是其中最為關(guān)鍵的部分，相當(dāng)于控制系統(tǒng)的“大腦”，因此其運(yùn)行性能的好壞對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能有直接影響?？刂葡到y(tǒng)中選用的是西門子公司研制生產(chǎn)的S7-400型PLC控制器，該型號(hào)控制器在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。西門子PLC控制器由多個(gè)部分構(gòu)成，主要包括CPU模塊（416-2DP）、電源模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊等，見圖3。PLC控制器需要接受各類傳感器的數(shù)據(jù)輸入并進(jìn)行分析處理，然后對(duì)不同分部的變頻器進(jìn)行控制。PLC控制器與變頻器之間基于PROFIBUS-DP通訊總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。

圖3 西門子S7-400型PLC控制器現(xiàn)場(chǎng)圖片

3.2 ABB變頻器

在工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域ABB變頻器以其顯著的優(yōu)勢(shì)得到了非常廣泛的應(yīng)用，且應(yīng)用效果較好。基于此，造紙機(jī)控制系統(tǒng)中選用ABB變頻器，具體型號(hào)為ACS800。供電網(wǎng)絡(luò)中變頻器的使用會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生諧波信號(hào)，從而影響其他用電設(shè)施的正常運(yùn)行。而ACS800型變頻器中配置有電磁兼容裝置以及諧波抑制器，可以對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行高效抑制，降低其對(duì)周圍用電裝置造成的不良影響，見圖4。

圖4 ABB ACS800型變頻器現(xiàn)場(chǎng)圖片

ABBACS800型變頻器采用的是DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，控制的最基本原理就是通過改變電機(jī)輸入電源的頻率大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。造紙機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，各分部的傳動(dòng)速度必須保持匹配。然而在實(shí)踐過程中，各分部的運(yùn)行速度容易受到外部環(huán)境造成的影響，使電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，這就要求變頻器具有很好的抗干擾能力以及快速反應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。ACS800型變頻器對(duì)電機(jī)速度調(diào)整的精度非常高，已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在閉環(huán)控制模式下速度控制精度可以達(dá)到0.1%，即便是在開環(huán)控制模式下控制精度同樣可以達(dá)到0.3%。

4 PLC控制器與ABB變頻器在造紙機(jī)上的應(yīng)用效果

1）提升了造紙車間的智能化水平?；谙冗M(jìn)的PLC控制器和變頻器建立的造紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)υ旒垯C(jī)不同分部的速度進(jìn)行高效控制，確保不同分部之間速度的相互匹配。整個(gè)過程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，正常情況下無需人為進(jìn)行干預(yù)，顯著提升了造紙車間的智能化水平，提升了工廠在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

2）降低了設(shè)備運(yùn)行的維護(hù)保養(yǎng)成本。由于造紙機(jī)各環(huán)節(jié)全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，且控制精度非常高。有效規(guī)避了人為操作時(shí)可能存在的誤差甚至失誤，對(duì)設(shè)備造成的損壞。目前，整個(gè)設(shè)備運(yùn)行非常穩(wěn)定，降低了造紙車間在造紙機(jī)中投入的維護(hù)保養(yǎng)成本，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3）提升了造紙車間的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用了速度鏈的控制模式，有效提升了控制的效率和精度。確保了造紙機(jī)不同分部之間運(yùn)行速度的匹配，為造紙車間生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 PLC控制器與ABB變頻器運(yùn)行時(shí)需要重點(diǎn)注意的問題

1）變頻器諧波信號(hào)問題。變頻器雖然可以對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行有效控制，但其工作原理決定了運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生諧波信號(hào)問題，會(huì)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的運(yùn)行造成不良影響。因此，在使用過程中務(wù)必通過脈沖整流的手段對(duì)變頻器的諧波信號(hào)問題進(jìn)行抑制。通過有源前端整流的方法也可取得比較好的效果。

2）西門子S7-400型PLC控制器和ABBACS800型變頻器，兩者之間通過PROFIBUS-DP通訊總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。這種通訊方式雖然能夠大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但缺陷在于沒有冗余功能，這會(huì)在一定程度上降低通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠性。如果通信網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障問題，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)無法正常運(yùn)行?；诖?，對(duì)于通信總線，一方面要強(qiáng)化其連接的牢靠性，另一方面在運(yùn)行過程中也要加強(qiáng)觀察，以便及早發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

5 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，造紙機(jī)的智能化和信息化是未來發(fā)展的必然方向。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中控制器和變頻器是非常關(guān)鍵和重要的元器件，西門子PLC控制器和ABB變頻器的應(yīng)用，顯著提升了造紙機(jī)的智能化水平，降低了設(shè)備運(yùn)行過程中的故障率，為造紙車間節(jié)省了維護(hù)保養(yǎng)成本，整個(gè)造紙車間的生產(chǎn)質(zhì)量和效率有了顯著提升。綜上，西門子PLC控制器和ABB變頻器在造紙機(jī)中的實(shí)踐應(yīng)用取得了很好的效果。